● 摘要
近年来，随着虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术成功的应用于生物、医学等领域，其在医疗康复方面所表现出的技术优势也逐步受到关注。该技术与主要依赖康复治疗师和简单器械的传统康复手段相比较，具有趣味性、安全性和精度高等优点和有效解决康复治疗师紧缺的现状。本文针对手运动功能康复的需求，以人手主动康复训练中具有力反馈的虚拟手交互为对象，开展了虚拟手建模、人机交互过程中的力反馈计算以及虚拟图形渲染等研究。1. 针对人手运动功能康复训练系统需求，本文进行了康复训练虚拟环境的总体方案设计。分别介绍了系统的人机交互界面和虚拟交互仿真的总体计算流程及其中的关键技术。2. 其次，通过分析真实人手生理结构和运动学结构特点，本文建立了20 DOF（自由度）的虚拟手双层结构模型；利用D-H方法建立了虚拟手各指节的运动学模型；参照解剖学中真实手的生理特点，将虚拟手近似描述为具有可变形软组织层和不可变形骨骼的双层结构模式。3. 对虚拟手与虚拟物体交互过程中每个指节进行反馈力数值计算，并换算为等效反馈力矩通过外骨骼设备施加到人手上。并针对大刚度交互模拟时由于设备性能引起的振动问题，采用限定力变化阈值的方法对反馈力进行平滑处理以保证系统的稳定性。4. 模拟软指-刚体、软指-弹性体交互时的手指与物体的变形及图形渲染。在进行软指-刚体交互渲染中，采用基于几何的方法计算手和物体的局部变形量，并通过回溯手指运动轨迹方法来得到用于图形显示的虚拟手与虚拟物体交互时不嵌入的虚拟手位姿；在软指-弹性体交互渲染中，根据接触力平衡来计算人手和物体的变形量，并采用设置影响区域权值的方法来计算物体多区域接触变形问题。5.设计实现了两个主动康复训练项目-抓物插孔训练和射箭训练，分别针对患者手的灵活度、协调性和肌肉力量等方面进行训练。该训练虚拟环境能够提供视觉、力觉、听觉等多通道反馈。